Sommersemester Dr. Dieter Müller H+W Arnstadt GmbH. 31. Mai 2010

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1 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Sommersemester 2010 Dr. Dieter Müller H+W Arnstadt GmbH Härte- und Werkstofftechnik 31. Mai 2010 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 1 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Herstellung und Einteilung der Stähle nach Verwendung und Eigenschaften Überblick über Wärmebehandlungsverfahren Glühen Härten (martensitisch, bainitisch, Auslagern) Randschichthärten Thermisch Thermochemisch (Einsatzhärten, Nitrieren) Beschichten (PVD, CVD) Anlagentechnik Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 2

2 Literatur G. Spur, T. Stöerle (Hsg.) Handbuch der Fertigungstechnik; Band 4/2 Wärmebehandeln Hanser-Verlag, München Wien, 1987 V. Läpple Wärmebehandlung des Stahls Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 8. Aufl., 2003 H.P. Hougardy Umwandlung und Gefüge unlegierter Stähle Verlag Stahleisen, Düsseldorf, 2. Aufl., 1990 D. Horstmann Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff Verlag Stahleisen, Düsseldorf, 5. Aufl., 1985 D. Liedtke, R. Jönsson Wärmebehandlung Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 4. Aufl., 2000 D. Liedtke u.a. Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen II Nitrieren und Nitrocarburieren Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 4. Aufl., 2007 K. Heeß u.a. Maß- und Formänderung infolge Wärmebehandlung Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 1997 J. Grosch, u.a. Einsatzhärten Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 1994 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 3 Literatur F.-W. Bach, T. Duda Moderne Beschichtungsverfahren Wiley-VCH, Weinheim, 2000 M.F. Ashby, D.R.H. Jones Werkstoffe 2: Metalle, Keramiken und Gläser, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe Elsevier, Heidelberg, 2005 W. Bergmann Werkstofftechnik 2: Werkstoffherstellung Werkstoffverarbeitung - Werkstoffanwendung Hanser, München Wien, 2005 W. Seidel Werkstofftechnik Hanser, München Wien, 2007 Stahl-Informations-Zentrum ( kostenlos oder als download) Merkblatt 447: Wärmebehandlung von Stahl Nitrieren und Nitrocarburieren Stahl-Informations-Zentrum Merkblatt 450: Wärmebehandlung von Stahl Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren Stahl-Informations-Zentrum Merkblatt 452: Einsatzhärten ASM The Handbook of Metals Vol. 4: Heat Treatment Teile der Vorlesungsunterlagen entstammen Veröffentlichungen folgender Personen bzw. Unternehmen Böhler Stahl AG Dr. Hansjörg Stiele, EFD Induktionserwärmung, Freiburg Ipsen Industrieöfen, Kleve Schmetz Vakuumöfen, Menden u.a. Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 4

3 Umsatzentwicklung der Lohnhärtereien in Deutschland Umsatz (Mio. ) 2006: Lohnhärtebetriebe: 178 Anzahl Mitarbeiter: Umsatz 1,06 Mrd Quelle: Industrieverband Härtetechnik Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 5 Entwicklungstendenzen der Wärmebehandlung Quelle: Ipsen GmbH Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 6

4 Grundlagen der Wärmebehandlung Einteilung der Stahlgruppen Bezeichnung und Nomenklatur der Stähle Idealer / realer Werkstoff Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 7 Stähle nach DIN EN 10020:2000 Als Stahl werden Werkstoffe bezeichnet, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elementes und im allgemeinen weniger als 2% C aufweisen und andere Elemente enthalten. Einige Chromstähle enthalten mehr als 2% C. Der Wert von 2% wird jedoch im allgemeinen als Grenzwert für die Unterscheidung zwischen Stahl und Gußeisen betrachtet. Stähle werden nach folgenden Gesichtspunkten eingeteilt: - Chemische Zusammensetzung Unlegierte legiert - Verwendung Werkzeugstahl Baustahl - Mechanische und technologische Eigenschaften Tiefziehblech Wälzlagerstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 8

5 Unlegierte Stähle Als unlegiert gilt ein Stahl, wenn die Gehalte der einzelnen Elemente die in der Norm angegebenen Grenzgehalte nicht überschreiten. Die unlegierten Stähle werden in die Hauptgüteklassen - unlegierte Qualitätsstähle und - unlegierte Edelstähle eingeteilt. Unlegierte Edelstähle können höhere Gehalte an verschiedenen Elementen aufweisen und zeichnen sich durch zusätzliche Anforderungen hinsichtlich Reinheit (Einschlüsse), mechanische Eigenschaften, elektrische Eigenschaften aus. Grenzwerte für unlegierte Stähle (Schmelzanalyse) Al B Bi Co Cr 0,30 0,0008 0,10 0,30 0,30 (0,50) Cu La Mn Mo Nb 0,40 (0,50) 0,10 1,65 (1,80) 0,08 0,06 Ni Pb Se Si Te 0,30 (0,50) 0,40 0,10 0,60 0,10 Ti V W Zr sonst* 0,05 (0,12) 0,10 (0,12) 0,3 0,05 (0,12) 0,10 * mit Ausnahme von C, P, S, N () Grenzwerte für unlegierte Edelstähle Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 9 Nichtrostende Stähle Nichtrostende Stähle werden über ihre chemische Zusammensetzung definiert: Cr 10,5 % C 1,2 % Zusätzlich wird noch nach - dem Nickelgehalt (2,5%) und - den Haupteigenschaften (korrosionsbeständig, hitzebeständig, warmfest) unterschieden Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 10

6 Legierte Stähle Legierte Stähle Als legiert gilt ein Stahl, wenn die in der Norm angegebenen Grenzgehalte überschritten werden. Niedriglegierte Stähle enthalten in Summe weniger als 5% Legierungszusätze, hochlegierte Stähle mehr als 5%. Legierte Qualitätsstähle sind im Allgemeinen nicht zum Vergüten oder Oberflächehärten vorgesehen. Zu dieser Gruppe zählen: - Schweißgeeignete Feinkornbaustähle - Stähle für Schienen - Stähle für warm- oder kaltgewalzte Flacherzeugnisse - Cu-legierte Stähle als einziges Legierungselement - Elektroblech Legierte Edelstähle Sind Stähle mit eng eingeschränkten und definierten Eigenschaften Zu dieser Gruppe zählen: - Maschinenbaustähle - Stähle für Druckbehälter, - Wälzlagerstähle - Werkzeugstähle - Schnellarbeitsstähle - Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 11 Wichtige Stahlgruppen Allgemeine Baustähle (DIN EN :2004) Allgemeine Baustähle sind nach ihren mechanischen Eigenschaften eingeteilt und müssen über eine gute Schweißbarkeit verfügen. Beispiel: S235 Schweißgeeignete Feinkornbaustähle (DIN EN :2001) Schweißgeeignete Feinkornbaustähle sind Stähle, deren Mindeststreckgrenze im Bereich N/mm² liegt und deren chemische Zusammensetzung im Hinblick auf die Schweißeignung gewählt ist. Durch das Stahlherstellungsverfahren wird ein besonders feines Gefüge eingestellt, was eine hohe Sprödbruchunempfindlichkeit aufweist. Ein feines Gefüge wird durch Zulegieren von B, Ti, Ta, Nb erzielt, häufig in Verbindung mit einem thermomechanischen Prozeß Beispiel: P285NH Vergütungsstähle (DIN EN 10083:2003) Vergütungsstähle sind Maschinenbaustähle, die sich aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung zum Härten eignen und im vergüteten Zustand gute Zähigkeit bei gegebener Zugfestigkeit aufweisen. Beispiele: 42 CrMo 4 (1.7225), 51 CrV 4 (1.8159) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 12

7 Wichtige Stahlgruppen Einsatzstähle (DIN EN 10084:1998) Einsatzstähle sind Stähle mit verhältnismäßig niedrigem Kohlenstoffgehalt, die für Bauteile verwendet werden, deren Randschicht vor dem Härten üblicherweise aufgekohlt oder carbonitriert wird. Solche Stähle sind nach der Behandlung gekennzeichnet durch eine Randschicht mit hoher Härte und einem zähen Kern. Beispiele: C 15 (1.0401), 16 MnCr 5 (1.7131), 20 MnCr 5 (1.2162, ), X 19 NiCrMo 4 (1.2764) Automatenstähle (DIN EN 10087:1998) Automatenstähle sind durch gute Zerspanbarkeit und gute Spanbrüchigkeit gekennzeichnet. Dies wird im Wesentlichen durch hohe Massenanteile an Schwefel (>0,1%, in Verbindung mit Mn), ggf. gemeinsam mit weiteren Zusätzen, z.b. Pb, erzielt werden. Beispiel: 11 SMn 30; 11 SMnPb 30 Nichtrostende Stähle (DIN EN 10088:2001) Nichtrostende Stähle enthalten mindestens 10,5% Cr und höchstens 1,2% C. Sie werden nach ihren wesentlichen Eigenschaften weiterhin unterteilt in korrosionsbeständige (Chromoxidschicht), hitzbeständige (>550 C; Chr-Si-Al-Oxid-Schutzschicht) und warmfeste Stähle (hohe Zeitstandfestigkeit >500 C; Ausscheidungen). Nach der chemischen Zusammensetzung und dem resultierenden Gefüge kann weiterhin unterscheiden in ferritische, martensitische, ausscheidungshärtende, austenitische und ferritisch-austenitische Srähle. Beispiele: X 6 Cr 17 (1.4016), X 5 CrNi (1.4301) X 35 CrMo 17 (1.4122), X 90 CrMoV 18 (1.4112) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 13 Wichtige Stahlgruppen Werkzeugstähle (DIN EN ISO 4957:1999) Werkzeugstähle sind Edelstähle, die zum Be- und Verarbeiten von Werkstoffen sowie Handhaben und Messen von Werkstücken geeignet sind. Sie weisen eine dem Verwendungszweck angepaßte hohe Härte, hohen Verschleißwiderstand und Zähigkeit auf. Kaltarbeitsstähle sind unlegierte oder legierte Stähle für Verwendungszwecke, bei denen die Oberflächentemperatur im Einsatz im allgemeinen unter etwa 200 C liegt. Warmarbeitsstähle sind legierte Stähle für Verwendungszwecke, bei denen die Oberflächentemperatur im Einsatz im allgemeinen über 200 C liegt. Schnellarbeitsstähle sind Stähle, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung die höchste Warmhärte und Anlaßbeständigkeit haben und deshalb bis zu hohen Temperaturen von rund 600 C hauptsächlich zum Zerspanen und zum Umformen einsetzbar sind. Kunststoffformenstähle sind Stähle, welche für die Herstellung von formgebenden Werkzeugen für die Kunststoffverarbeitung verwendet werden. Hierbei kann es sich um unlegierte Stähle, Einsatzstähle und Werkzeugstähle handeln. Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 14

8 Bezeichnung der Stähle Es gibt unterschiedliche Nomenklatursysteme Das geeignete Nomenklatursystem richtet sich nach der jeweiligen Stahlgruppe Der Bezeichnung liegen grundlegende Eigenschaften zugrunde. Es wird bezeichnet nach: - der chemischen Zusammensetzung - den mechanischen Eigenschaften (Festigkeit) - technologischen Eigenschaften Neben den genormten Bezeichnungen erhält jeder Werkstoff eine eigene Werkstoffnr., über welche er gleichfalls eindeutig beschrieben ist. Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 15 Bezeichnung der Stähle (DIN EN :2001) 1:2001) Kurznamen Bezeichnung nach Festigkeit (z.b. allgemeine Baustähle) Alte Benennung: St + Angabe der Mindestzugfestigkeit in kp/mm² (1 kp entspricht 10 N) z.b.: St 37 = Baustahl mit einer Mindestzugfestigkeit von 37 kp/mm² Neue Bezeichnungen: Buchstabe für Stahlgruppe + Angabe der Streckgrenze in MPa z.b.: S Stähle für den Stahlbau S 235 (= St 37 alt) E Maschinenbaustähle P Stähle für Druckbehälter B Betonstähle L Stähle für Leitungsrohre H kaltgewalzte Flacherzeugnisse Buchstabe für Stahlgruppe + Angabe der Zugfestigkeit in MPa z.b.: Y Spannstähle Y1770 HT kaltgewalzte Flacherzeugnisse Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 16

9 Bezeichnung der Stähle (DIN EN :2001) 1:2001) Kurznamen Bezeichnung nach technologischen Eigenschaften Buchstabe für Stahlgruppe + festgelegte Mindesthärte in HB z.b.: R Stähle für Schienen R350 Angabe der Tiefziehfähigkeit Flacherzeugnisse für Kaltumformung: D + Art des Walzens (C kalt; D warmgewalzt) + 2 Ziffern zur Charakterisierung des Stahls z.b. DC04 Sondertiefziehgüte Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 17 Bezeichnung der Stähle (DIN EN :2001) 1:2001) Kurznamen Bezeichnung nach chemischer Zusammensetzung Unlegierte Stähle C + Angabe des C-Gehaltes in Gew. % geteilt durch 100 z.b.: C 45 unlegierter Stahl mit 0,45 % Kohlenstoff Niedrig legierte Stähle Angabe des C-Gehaltes in Gew. % geteilt durch chem. Kurzzeichen der Legierungselemente in abnehmender Konzentration + Konzentration der vorstehenden Elemente geteilt durch den entsprechenden Faktor Faktoren: Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10 Ce, N, P, S 100 B 1000 z.b.: 42CrMo4 0,42% C, 1% Cr, Zusätze an Mo 40CrMnNiMo ,4% C, 2% Cr, 1% Ni, Zusätze an Mo Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 18

10 Bezeichnung der Stähle (DIN EN :2001) 1:2001) Kurznamen Hochlegierte Stähle X (wenn der Gehalt eines Elementes mehr als 5% beträgt) + Angabe des C-Gehaltes in Gew. % geteilt durch chem. Kurzzeichen der Legierungselemente in abnehmender Konzentration + Konzentration der vorstehenden Elemente in Gew.% z.b.: X38CrMoV5-1 X5CrNi ,38% C, 5% Cr, 1% Mo, Zusätze an V 0,05% C, 18% Cr, 10% Ni Schnellarbeitsstähle HS (oder PM) + Konzentrationsangabe der Legierungselemente W, Mo, V, Co z.b.: HS6-5-2 HS % W, 5% Mo, 2% V 6% W, 5% Mo, 2% V, 5% Co Zusätzlich enthalten Schnellarbeitsstähle ca. 0,8-0,9 % C und ca. 4% Cr Sonstiges Bei allen Kurznamen wird Guß durch einvorangestelltes G und pulvermetallurgischer Stahl durch ein PM gekennzeichnet. Es können noch weitere Symbole zur Kennzeichnung bestimmter Eigenschaften (z.b. Erschmelzung, Umformung ) angehängt sein Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 19 Bezeichnung der Stähle (DIN EN :2001) 2:2001) Werkstoffnummern X.XXXX(XX) 1. Stelle: Werkstoffhauptgruppe (1.XXXX sind Stähle) 2. und 3. Stelle: Stahlgruppennummer 4. und 5. Stelle: Zählnr. für die einzelnen Stähle 6. und 7. Stelle: weitere Zählnummern (bei Bedarf) Beispiel für Stahlgruppen 20 Cr-Stähle 35 Wälzlagerstähle 23 Cr-Mo, Cr-Mo-V ab50 Baustähle 24 W, Cr-W 70 Cr-haltig 27 Ni-haltig 72 Cr-Mo 32 Co-haltige Schnellarbeitsst. 85 Nitrierstähle 33 Co-freie Schnellarbeitsstähle Beispiele: ist X38CrMoV ist 42CrMo4 Gleiche Stähle können je nach Verwendungsgruppe unterschiedliche Werkstoffnummern besitzen. z.b und ist 100Cr6 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 20

11 Idealer / realer Werkstoff Eigenschaften sind unabhängig von Geometrie Ort Richtung Isotropie Aber Werkstoffe haben Querschnittsabhängige Eigenschaften Unterschiedliche Eigenschaften Oberfläche/Kern Vorzugsrichtungen Anisotropie Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 21 Anisotropie durch Erstarrung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 22

12 Anisotropie durch Erstarrung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 23 Anisotropie durch Umformung Ferrit- Perlitzeiligkeit Korngrößenunterschiede durch unterschiedliche Umformgrade nach dem Rekristallisationsglühen Quelle: TU München Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 24

13 Anisotropie durch Verunreinigung Nichtmetallische Einschlüsse -Oxide -Sulfide -Phosphorseigerungen Metallische Gefügebestandteile -Delta Ferrit -Vorlegierungen -Randentkohlung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 25 Q-Richtreihen DIN 50602: Mikroskopische Prüfung von Edelstählen auf nichtmetallische Einschlüsse mit Bildreihen DIN EN ISO 643: Mikrophotographische Bestimmung der scheinbaren Korngröße SEP 1520: Mikroskopische Prüfung der Carbidausbildung in Stählen mit Bildreihen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 26

14 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 27 Linienschnittverfahren Korngrößenbestimmung Richtreihen Flächenzählverfahren Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 28

15 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 29 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 30

16 Stahlerzeugung Quelle: Stahl-Informationszentrum Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 31 Schmelzmetallurgie Rohstahlerzeugung Ausgangsmaterial: Roheisen (Hochofen) / Oxygenstahl Stahlschrott / Elektrostahl Erschmelzung im Lichtbogenofen oder Induktionsofen Zulegieren der Legierungselemente (Vorlegierungen) Abguß in Kokillen oder Strangguß Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 32

17 Sekundärmetallurgie Weitere Verbesserung der Stahlqualität durch: Vakuumlichtbogenofen (verzehrende und nichtverzehrende Elektrode) Elektroschlacke-Umschmelzen (ESU) Verringerung des Gehalts an nichtmetallischen Verunreinigungen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 33 Vakuum-Lichtbogenofen mit nicht verzehrender Elektrode Vorteile: Niedrigste Gasgehalte Exakte Einstellung der Legierungselemente Geringste nichtmetallische Einschlüsse Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 34

18 Vakuum-Lichtbogenofen mit verzehrender Elektrode Vorteile: Optimale Blockstruktur niedrigste Gasgehalte gleichmäßige Verteilung verbleibender Einschlüsse hohe Isotropie Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 35 Elektroschlacke-Umschmelzen Vorteile: Optimale Blockstruktur niedrigster Schwefelgehalt höchster Reinheitsgrad (nichtmetallische Einschlüsse) hohe Isotropie Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 36

19 Seigerungen - Herstellung ESU-Qualität ESU-Qualität konventionell Konventionell Geschmiedet+ geglüht Konventionell gewalzt Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 37 Mikroseigerungen - Herstellung ESU-Qualität Konventionell + geglüht Konventionell + gewalzt Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 38

20 Richtreihe Makroseigerungen Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 39 Richtreihe Gefüge Warmarbeitsstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 40

21 Weiterverarbeitung des Stahls Umformung des erschmolzenen Stahls: Walzen (flach, rund, Profil) Ziehen Schmieden Wärmebehandeln Glühen Vergüten Schälen Fräsen, Schleifen Präzisionsflachstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 41 Herstellung von PM-Stahl Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 42

22 Pulververdüsung mit Gas (Stickstoff, Edelgas) Wasser Flüssiggas Pulververdüsung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 43 Makroseigerungen Schmelzmetallurgischer Stahl PM-Stahl Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 44

23 Mikrogefüge Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 45 Vorteile der PM-Stähle Gleichmäßigkeit der Eigenschaften (Isotropie) Keine Gefügeunterschiede über dem Querschnitt Gleichmäßig fein verteilte Karbide Sehr gute Zähigkeitseigenschaften bei hoher Härte Geringe Richtungsabhängigkeit Gute Bearbeitbarkeit Herstellung (Design) einer optimierten Zusammensetzungen Höhere Karbidanteile als durch Schmelzmetallurgie möglich Lokal optimierte Zusammenstellung der Legierungskomponenten möglich Nachteil Kostenintensive Herstellung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 46

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